拉挤成型激光烘箱复合固化制备异形复合材料的制作方法

拉挤成型激光烘箱复合固化制备异形复合材料属于一种复合材料制备方法。

背景技术：

以往的复合材料制备方法有多种，其中包括拉挤成型加温固化法。

拉挤成型加温固化法具有生产连续性好、自动化程度高和成本较低等优点。

一种加温固化方法是利用埋设在拉挤成型模内的加热元件，使复合材料温度达到固化所需温度实现固化。

这种固化方法存在能量利用率低、拉挤速度慢、生产效率低、拉挤模制造成本高且磨损快寿命短、固化后出拉挤成型模时复合材料易开裂等缺陷。

另一种加温固化方法是利用在拉挤成型模后面设置一节或多节隧道窑作为加热元件，使复合材料温度达到固化所需温度实现固化。

这种固化方法拉挤速度较快，生产效率较高，但存在能量利用率更低、生产线过长的问题，且易发生流胶和滴胶等缺陷。

已有的复合材料异形材的制备方法是：先把预浸带缠绕在专门设计制造的定型支架上，再把定型支架送入烘箱，进行加温固化。

这种方法存在的主要缺点有以下几个：

第一，如果复合材料材尺寸大，则定型支架和烘箱的尺寸必须更大，对生产造成了较大的困扰。

第二，预浸带往定型支架上缠绕的操作十分困难，效率极低，加温定型完成之后的截断操作工作量也很大，工人操作困难、劳动强度很大。

第三，加温定型过程中由于定型支架的限制，烘箱填充率极低，能量利用率极低，产能极低，抬高了生产成本。

第四，定型支架的体积庞大、通用性差，复合材料异形材种类稍多时，多种定型支架的存储、搬运即成为很大问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种保留现有拉挤成型法优点，用激光固化与烘箱定型固化相结合的复合材料异形材制备方法，以克服现有支架定型与烘箱加温固化结合制备复合材料异形材的缺点。

激光投射到材料上，会产生一定的光热转化效应，这种光热转化效应会带来材料表面和内部的温度升高效应。

本发明用这种激光光热转化效应取代隧道窑的加温作用，通过控制激光输出器断续输出激光束的方法，对预浸带进行分段固化，并按设计裁截，获得一种复合材料异形材的多段复合材。

这种多段复合材的特点是每根上分为若干段，相邻两段的状态相反：前一段已固化，则紧接着的后一段未固化，再接着的下一段已固化。

在特定方向激光照射下，材料由表面到内部的温度变化取决于多种因素，包括投射深度χ、吸收系数α和散射系数S，如果入射激光光能量密度为I₀，则深度χ处得到的激光能量密度为：I=I_oexp(-(α+S)χ)。

越深处得到的激光光能越少，这种现象将导致激光照射方向上材料内部出现递减温度梯度，使厚度稍大的预浸料不同深度处难以同步获得所需的固化温度。

本发明的一个解决方案是从不同方向设计多束激光投向预浸料的同一段，利用多束激光在预浸料深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸料不同深度同步获得适当的固化温度。

本发明的另一个解决方案是设计激光输出器所输出激光光斑的形状，这样就能在预浸料拉引速度一定的情况下，增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸料被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化。

本发明的第三个解决方案是在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现预期的温度梯度。

本发明的第四个解决方案是：根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现预期的温度梯度。

优化的是，本发明激光束的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了复合材料固化所需的最佳温度。

更加优化的是，本发明增加激光输出器所输出激光光斑的长度，来增加预浸料被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸料内部温度的均匀化。

更加优化的是，本发明在构成预浸料的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。

更加优化的是，本发明能够在不同方向设计多束激光投向预浸料的同一段，利用多束激光在预浸料深处的累积效应来抵消单束激光的递减温度梯度，使厚度较大的预浸料不同深度同步获得最佳的固化温度。

更加优化的是，本发明能够根据预浸料中增强纤维束和树脂液的材质不同，选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸料在激光照射下内部出现最佳的温度梯度。

附图说明

附图1是本发明的单向激光照射方案实施过程示意图。

附图1中，1是拉引增强纤维束，2是树脂液槽，3是树脂液，4是预浸带，5是收束模，6是激光输出器，7是激光束，8是挡光板，9是激光固化段，10是拉引装置，11是后续烘箱固化段，12是裁刀，13是拉引方向，L是激光光斑在拉引方向13上的长度。

附图2是本发明的多向激光照射方案实施过程示意图。

与图1相比，附图2中设置了多个激光输出器6a，输出多束激光束7a，设置多块挡光板8a。

附图3是本发明的多段复合材和多段复合材挂置于挂架的示意图。

对图1或图2提供的方案制得的分段固化复合材料进行裁截，得到附图3中的多段复合材，其上分成A、B和C三段，A和B为激光已固化段，C段为后续烘箱固化段，桂置于挂架14上之后，C段形成曲线或曲面，随后在烘箱中C段固化成型。

拉引装置12向着拉引方向13拉引，增强纤维束1被导入树脂液槽2中并被树脂液3浸润形成预浸带4，预浸带4经收束模5导出。

随后，预浸带进入激光输出器6发射的激光束7的照射区，在激光束7的加热作用下达到最终成型所需的固化温度。

在预先设置的控制之下，激光输出器6发射的激光束7断续输出，形成激光固化段9和后续烘箱固化段11。

挡光板8能够遮挡被预浸料透射和散射的激光，避免对环境造成污染。

裁刀12对图1或图2提供的方案制得的分段固化复合材料进行裁截，得到附图3中的多段复合材，其上包含A、B和C三段，A和B为激光已固化段，C段为后续烘箱固化段，桂置于挂架14上之后，C段形成曲线或曲面。

多个挂架14上桂置大量的多段复合材，置于烘箱内达到最佳烘箱空间利用效果，加温实现C段固化，最终制得复合材料异形材。

激光束7的加热功率能够与拉引速度相匹配，保证了复合材料固化所需的最佳温度。

能够通过增加激光输出器6所输出激光光斑的长度L，来增加预浸带被激光照射的时间，从而增加了热扩散时间，实现预浸带内部温度的均匀化。

在构成预浸带的树脂液中添加适当浓度的填料，以改变预浸料的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸带在激光束7照射下内部出现最佳的温度梯度。

在不同方向设置多个激光输出器6a，发射多束激光束7a投向预浸带的同一段，利用多束激光束7a在预浸带深处的激光累积效应来抵消单束激光束7在预浸带内部的递减温度梯度，能够使厚度更大的预浸带不同深度同步获得最佳的固化温度。

根据预浸带中增强纤维束和树脂液的材质不同，能够选择不同波长的照射激光光源，以改变预浸带的吸收系数α和散射系数S，使得截面有效尺寸一定的预浸带在激光束7（或7a）照射下内部出现最佳的温度梯度。